A vela costumava ser considerada um passatempo bastante calmo. Mas nos últimos anos, o mundo das corridas de iate foi revolucionado com a chegada de catamarãs sustentados por hidrofólio, conhecido como "foilers". Esses vasos, mais parecido com aeronaves de alto desempenho do que iates, combinar as leis da aerodinâmica e hidrodinâmica para criar embarcações capazes de velocidades de até 50 nós, que é muito mais rápido do que o vento os impulsionando.

Um catamarã F50 se preparando para a série Sail GP recentemente quebrou essa barreira, atingindo uma velocidade incrível de 50,22 nós (57,8 mph) movido exclusivamente pelo vento. Isso foi alcançado em um vento de apenas 19,3 nós (22,2 mph). F50s têm 15 metros de comprimento, Catamarãs hidrofólio de 8,8 metros de largura, propulsionados por velas rígidas e capazes de atingir velocidades tão espantosas que a Sail GP tem sido chamada de "Fórmula Um da vela". Como esses iates conseguem ir tão rápido? A resposta está em algumas dinâmicas de fluidos simples.

À medida que o casco de um navio se move pela água, existem dois mecanismos físicos primários que criam arrasto e reduzem a velocidade da embarcação. Para construir um barco mais rápido, você precisa encontrar maneiras de superar a força de arrasto.

O primeiro mecanismo é o atrito. À medida que a água passa pelo casco, uma camada microscópica de água é efetivamente fixada ao casco e puxada junto com o iate. Uma segunda camada de água então se liga à primeira camada, e o deslizamento ou cisalhamento entre eles cria atrito.

Do lado de fora está uma terceira camada, que desliza sobre as camadas internas criando mais fricção, e assim por diante. Juntos, essas camadas são conhecidas como camada limite - e é o cisalhamento das moléculas da camada limite umas contra as outras que cria o arrasto de atrito.

Um iate também faz ondas ao empurrar a água ao redor e sob o casco, da proa (frente) à popa (traseira) do barco. As ondas formam dois padrões distintos em torno do iate (um em cada extremidade), conhecidos como padrões de onda Kelvin.

Essas ondas, que se movem na mesma velocidade do iate, são muito enérgicos. Isso cria um arrasto no barco conhecido como arrasto formador de ondas, que é responsável por cerca de 90% do arrasto total. À medida que o iate acelera para velocidades mais rápidas (perto da "velocidade do casco", explicado mais tarde), essas ondas ficam mais altas e mais longas.

Esses dois efeitos se combinam para produzir um fenômeno conhecido como "velocidade do casco", que é o mais rápido que o barco pode viajar - e em iates convencionais de casco simples é muito lento. Um iate de casco simples do mesmo tamanho que o F50 tem uma velocidade de casco de cerca de 19 km / h.

Hydrofoils

Contudo, é possível reduzir o arrasto de fricção e a formação de ondas e superar esse limite de velocidade do casco construindo um iate com hidrofólios. Hydrofoils são pequenos, asas subaquáticas. Eles agem da mesma forma que uma asa de aeronave, criando uma força de sustentação que atua contra a gravidade, levantando nosso iate para que o casco fique fora da água.

Embora as asas de uma aeronave sejam muito grandes, a alta densidade da água em comparação com o ar significa que precisamos apenas de hidrofólios muito pequenos para produzir grande parte da importante força de sustentação. Um hidrofólio do tamanho de três folhas de papel A3, ao se mover a apenas 10 mph, pode produzir sustentação suficiente para pegar uma pessoa grande.

Isso reduz significativamente a área de superfície e o volume do barco que está debaixo d'água, que corta o arrasto de fricção e o arrasto de formação de ondas, respectivamente. O efeito combinado é uma redução no arrasto geral para uma fração de seu valor original, de modo que o iate é capaz de navegar muito mais rápido do que sem hidrofólios.

A outra inovação que ajuda a aumentar a velocidade dos iates de corrida é o uso de velas rígidas. A potência disponível das velas tradicionais para impulsionar o barco é relativamente pequena, limitado pelo fato de que as forças da vela têm que agir em equilíbrio com uma gama de outras forças, e que as velas de tecido não têm um formato ideal para criar força. Velas rígidas, que são muito semelhantes em design a uma asa de aeronave, formam uma forma muito mais eficiente do que as velas tradicionais, efetivamente dando ao iate um motor maior e mais potência.

À medida que o iate acelera com a força motriz dessas velas, ele experimenta o que é conhecido como "vento aparente". Imagine um dia completamente calmo, sem vento. Enquanto você caminha, você sente uma brisa em seu rosto na mesma velocidade com que está caminhando. Se houvesse um vento soprando também, você sentiria uma mistura do vento real (ou "verdadeiro") e a brisa que gerou.

Os dois juntos formam o vento aparente, que pode ser mais rápido que o vento verdadeiro. Se houver vento verdadeiro suficiente combinado com este vento aparente, então, força e potência significativas podem ser geradas a partir da vela para impulsionar o iate, portanto, ele pode navegar facilmente mais rápido do que a própria velocidade do vento.

O efeito combinado de reduzir o arrasto e aumentar a força motriz resulta em um iate muito mais rápido do que os de alguns anos atrás. Mas tudo isso não seria possível sem mais um avanço:os materiais. Para poder "voar", o iate deve ter uma massa baixa, e o próprio hidrofólio deve ser muito forte. Para atingir a massa necessária, resistência e rigidez usando materiais tradicionais de construção de barcos, como madeira ou alumínio, seriam muito difíceis.

É aqui que entram os materiais compostos modernos e avançados, como a fibra de carbono. Técnicas de produção que otimizam o peso, rigidez e resistência permitem a produção de estruturas que são fortes e leves o suficiente para produzir iates incríveis como o F50.

Os engenheiros que projetam esses barcos de alto desempenho (conhecidos como arquitetos navais) estão sempre procurando usar novos materiais e ciência para obter um design ideal. Em teoria, o F50 deve ser capaz de ir ainda mais rápido.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.